一种浅水湖泊水面成像光谱采集系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统，该系统包括支撑平台、供电系统、数据采集器系统、数据传输系统和数据中心，所述支撑平台包括由若干桩支撑的平台及建于平台上的仪器房；所述供电系统通过电线与数据采集器系统和数据传输系统相连；所述数据采集器系统包括成像光谱仪及其配套观测塔架，所述数据传输系统与数据采集数据采集器系统连接。本实用新型适合对富营养化湖泊藻华发生地点相对固定，频次高的区域开展空间尺度转换下的湖泊水色及藻华的遥感野外监测与研究。
【专利说明】一种浅水湖泊水面成像光谱采集系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于环境遥感监测领域，涉及一种浅水湖泊水面成像光谱采集系统。【背景技术】
[0002]水体光谱特性是水体物质组成的外在特征，利用野外实测的水体遥感反射率可以对水体物质的种类及含量进行分析。
[0003]水体从可见光至近红外波段的水体光谱特性主要表现为:412nm左右可以反映出黄色物质和碎屑，443nm可以反映出中低浓度叶绿素的吸收峰，490nm左右可以反映出中高浓度叶绿素的吸收峰，510nm处可以反映出悬浮泥沙及赤潮，560nm左右可以反映出悬浮泥沙浓度，及叶绿素吸收最小值，620nm处可以反映出悬浮泥沙，665nm左右可以反映出叶绿素吸收，681nm左右可以反映出叶绿素荧光峰，780nm以后可以用于大气校正，水汽含量计算。
[0004]进行水体光谱特性测量不是一件简单的工作，它要考虑各种情况，包括船的阴影的影响，仪器的精度及标定，测量结果的处理等等。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的在于提供一种浅水湖泊水面成像光谱采集系统，解决目前缺乏对富营养化大型浅水湖泊开 展不同空间尺度湖泊水色光谱信息转换研究的野外实验场，以及现场数据实时获取传输问题，是同步开展“空中传感器一水面光谱一水下光谱一水体水环境参数”的浅水湖泊遥感野外自动监测系统的重要组成部分。
[0006]本实用新型通过以下技术方案实现:
[0007]本实用新型公开了一种浅水湖泊水面成像光谱采集系统，该系统包括支撑平台、供电系统、成像光谱数据采集器系统、数据传输系统、数据中心，所述支撑平台包括由若干桩支撑的平台及建于平台上的仪器房I间；所述供电系统通过电线与数据采集器系统和数据传输系统相连；所述数据采集器系统包括水面成像光谱采集系统及其配套观测塔架，所述数据传输系统与数据采集器系统连接。本实用新型的系统适合对富营养化湖泊藻华发生地点相对固定，频次高的区域开展空间尺度转换下的湖泊水色及藻华的遥感野外监测与研究。
[0008]采用本实用新型实施例的浅水湖泊水面成像光谱采集系统，通过数据采集器系统提供直接表征湖泊水色的光谱信息，既可以为湖泊遥感野外监测提供水面基本光谱信息，同时可以开展空间尺度转换下的湖泊水色及藻华的遥感野外监测与研究服务。
[0009]另外，根据本实用新型实施例的浅水湖泊水面成像光谱采集系统可以具有如下附加的技术特征:
[0010]根据本实用新型的一个实施例，所述平台上面设置防雨的仪器房，供电系统的蓄电池、数据采集器系统的数据收集控制器以及数据传输系统设置于仪器房内，仪器房的一侧成像光谱仪观测塔架。[0011]根据本实用新型的一个实施例，所述供电系统包括太阳能电池板、光伏控制器、蓄电池组和逆变器，其中，太阳能电池板安装于平台仪器房顶部，蓄电池组安装在平台仪器房内部，太阳能电池板与蓄电池组相连。由于湖泊水色光谱监测需要在晴好天气进行，太阳能供电系统可提供最大功率2kw，连续阴雨10天平均功率50W的不间断供电。因此，太阳能供电系统完全可以满足系统内所有仪器的供电要求。
[0012]根据本实用新型的一个实施例，数据采集器系统包括观测塔架(15m)、电控升降导轨、成像光谱仪和太阳辐照度计。其中，观测塔架(15m)安装固定在平台的一侧，安装在观测塔架上的电控升降导轨由导轨、滑车、驱动系统及控制系统组成，成像光谱仪固定在升降系统的云台底座上，安装在平台仪器房顶的太阳辐照度计由余弦修整器、辐射光谱采集单元、二维云台及控制通讯电路组成。
[0013]根据本实用新型的一个实施例，所述数据传输系统包括接线盒和通信模块，所述水面成像光谱采集的湖泊水面光谱信息数据接入接线盒中，接线盒与通信模块相连接，通信模块与数据中心相连接。
[0014]根据本实用新型的一个实施例，所述数据中心设备主要包括一台安装有数据库的服务器和显不器。
[0015]根据本实用新型的一个实施例，所述数据传输系统通过3G无线网络连接数据中心，并可实现实时报警通知功能。
[0016]根据本实用新型的一个实施例，该系统还包括保护设施，保护设施包括避雷针和/或航标灯，避雷针安装在高于水面15m的观测塔顶端，航标灯安装平台仪器房的西南角、东北角和东南角上，其中所述仪器房的四角分别对应东南、东北、西北和西南方向。
[0017]根据本实用新型的一个实施例，所述数据传输系统组件及蓄电池组安放在仪器房内，仪器房为3 m*4m*2.4 m，作为连接仪器电缆的通道，箱体两侧开四排用于散热的透气窗，正面是一扇门，顶部为彩钢板，防止雨水渗入。
[0018]本实用新型具有以下优点:
[0019]1、系统安全稳定，由于采用大型管桩以及大量的警示及安全设施，极大的提高了整个平台系统抵御自然灾害(台风、洪水等)和人为破坏(船只碰撞、盗窃等)的能力；并能保证系统能在一种平稳的环境中运行，降低由于震动对设施设备的损耗；
[0020]2、供电系统的持久稳定,保障系统稳定运行。在水体环境中，电力供应一直是技术瓶颈。由于湖泊水色监测需要在晴好天气进行，因此，太阳能供电系统完全可以满足系统内所有仪器的供电要求。本系统采用太阳能电池板供电保障，使得自动监测系统能够在各种恶劣天气条件下维持监控和报警系统稳定运行。同时这套电力系统也足以保证多套功耗较大设施设备的能耗，极大的提高平台配置仪器设备的能力；
[0021]3、运行迅速稳定、维护方便。本系统采用观测塔架辅助成像光谱仪，可以在较短的时间内完成距离水面不同高度处的水体表面光谱信息的采集工作，真正实现不同空间分辨率的水体表面光谱信息的同步监测；系统所依托的平台与浮标相比，所建平台面积大且牢固，能够方便现场工作人员的日程维护，且能保证其安全性；
[0022]4、能够做到准确、同步捕捉不同空间尺度上湖泊水色光谱信息。
[0023]本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。【专利附图】
【附图说明】
[0024]本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0025]图1a是根据本实用新型实施例的适用于浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统的结构示意正视图；
[0026]图1b是根据本实用新型实施例的适用于浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统的结构示意侧视图；
[0027]图1c是根据本实用新型实施例的适用于浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统的结构示意俯视图；
[0028]图1d是根据本实用新型实施例的适用于浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统依托平台仪器房的内部结构俯视图；
[0029]图2a是根据本实用新型实施例的适用于浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统中的控制系统布置图；
[0030]图2b是根据本实用新型实施例的适用于浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统中的辐照度计设计图；
[0031]图2c是根据本实用新型实施例的适用于浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统中的升降系统传动及限位设计图；
[0032]图3是根据本实用新型实施例的适用于浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统的原理图。
【具体实施方式】
[0033]下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
[0034]支撑平台上设置一仪器房1，平台一侧固定观测塔架2，观测塔架顶端固定避雷针3，观测塔架底端至顶部设置导轨4，导轨上放置一滑车+云台5，成像光谱仪6固定在云台底座之上，太阳辐照度计7固定于仪器房顶部，太阳能电池板8亦安装仪器房顶部太阳辐照度计7北侧,3个航标灯9分别安装在仪器房顶的东南角、西南角以及西北角上，其中所述仪器房的四角分别对应东南、东北、西北和西南方向。接线盒10、蓄电池组11、数据通信模块12以及仪器驱动系统及控制系统13全部安置在仪器房内，成像光谱仪6在仪器驱动系统及控制系统13的操作下，测得数据信息通过接线盒10传输至数据通信模块12，采取无线传输方式将数据传输至数据中心14。
[0035]实施例一
[0036]图la、lb、lc和Id是本实用新型的结构示意图，如图所示，浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统，该系统包括支撑平台、供电系统、成像光谱数据采集器系统、数据传输系统、数据中心。
[0037]所述支撑平台须比所在水域历史最高水位高出lm，其由管桩共计48根支撑，每根长8m，打入湖底约3m左右，上面铺设防腐木隔板(即平台)，平台上面设置防雨的仪器房，同时为了方便平台作业，在仪器房一侧焊接不锈钢梯子可至房顶，另一侧成像光谱仪观测塔架2。此平台系统可以承受极大的负重，能够在台风洪水的袭击下保持足够的平稳性，且能够在高温高湿条件下长期存在。成像光谱仪观测塔架2用于放置水面成像光谱仪6。
[0038]保护设施包括焊接在成像光谱仪观测塔架上的避雷针3及安装平台仪器房的西南角上航标灯9。同时在平台上四周焊接保护围栏，并在外围设立防护围桩。此套保护设施可以更好的保护平台系统免受雷击、盗窃及船只碰撞等引起的破坏。保护围栏由钢柱和镀锌管构成，防护围桩主要由正方形水泥桩和镀锌管构成。
[0039]如图3所示，供电系统包括太阳能电池板8以及蓄电池组11。太阳能电池板8与蓄电池组11相连。蓄电池组11安放在平台上仪器房内。太阳能电池板8固定在焊接在仪器房顶的不锈钢架上并面向南方。所述供电系统为数据采集器系统、数据传输系统供电，亦可为平台上其他大型仪器设备供电。该供电系统能够最大程度保证平台系统能够支撑更多的仪器设施设备运行及更高的采样频率。所述数据传输系统组件及蓄电池组安放在仪器房内，仪器房为3 m*4m*2.4 m，作为连接仪器电缆的通道，箱体两侧开四排用于散热的透气窗25，正面是一扇门，顶部为彩钢板，防止雨水渗入。太阳能供电系统可提供最大功率2kw，连续阴雨10天平均功率50W的不间断供电。整体系统由太阳能电池板、光伏控制器、蓄电池组、逆变器组成。太阳能电池板组采用4块240W的单片电池板，单片电池板开路电压37V，工作电压29V，工作电流8.5A,电池板组采用2串2并连接，输出电压约58V。光伏控制器为智能控制器，无需配置。蓄电池组采用8块12V150AH铅酸蓄电池，电池组由4串2并组成，可提供48V，300AH的供电能力。48V逆变器提供峰值输出功率2KW的单相逆变输出。
[0040]所述水面成像光谱数据采集器系统包括观测塔架(15m)、电控升降导轨、成像光谱仪和太阳辐照度计。其中，观测塔架(15m) 2安装固定在平台的一侧，安装在观测塔架上的电控升降导轨由导轨4、滑车+云台5、驱动系统及控制系统13组成(如图2c所示)，由于工作环境在室外水面上，湿度较大，为了达到防腐的要求，导轨及运动部分采用304不锈钢材料，可保证长时间使用不腐蚀；驱动部分采用防护等级IP65的电动机及减速器，链条及链轮同样采用不锈钢材料；控制系统由高速单片机完成系统控制，长度传感器将滑车运动的高度实时送到单片机处理后由控制器面板上液晶显示屏显示出实时高度值；如图2c，本设备装有三个行程开关，分别是上限位、零位控制、下限位，可靠地保证滑车的定位和安全运动范围。成像光谱仪6固定在升降系统的云台底座5上。如图2a，控制系统的控制柜使用标准19寸机柜，高度18U。控制柜内安装有:升降控制器、电源控制器(成像光谱仪、云台、辐照度计)、监控系统电源控制器、硬盘录像机及键盘抽屉各一台；硬盘录像机实行24小时监控，请勿关闭控制柜电源。如图2b，安装在平台仪器房顶的太阳辐照度计7由余弦修整器、辐射光谱采集单元、二维云台及控制通讯电路组成，该系统由余弦修整器接收到的太阳辐射光，进入光纤，通过光纤将光线传入辐射光谱采集单元，控制计算机通过以太网与辐照度计进行通讯，实现辐射光谱的采集、辐照度的计算及对辐照度计的控制。测量探头及光谱仪安装于铝合金密封盒中，整体安装在二维云台上，二维云台通过以太网(或其他)与计算机进行通讯。二维云台使用步进电机进行驱动，驱动器放置在云台内部。整体采用防水结构，可以达到IP65防护等级，满足室外使用要求。
[0041]所述成像光谱仪6可记录观测区域内所有像素的400_1000nm的离水辐亮度和向下辐照度。
[0042]所述数据传输系统包括控制系统的数据通信模块12和接线盒10，所述成像光谱仪6接入接线盒10，接线盒10通过导线和数据线与蓄电池组12和通信模块相连接，数据通信模12块则负责将传感器收集数据暂存在本节点和通过3G网络传输给数据中心14。数据中心14设备主要是一台安装有数据库和发布网站的服务器及监视器构成。
[0043]尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。
【权利要求】
1.一种浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统，其特征在于，该系统包括支撑平台、供电系统、数据采集器系统、数据传输系统和数据中心，其中 所述支撑平台包括由若干桩支撑的平台，所述平台上面设置有用于放置设备的仪器房; 所述供电系统通过电线与数据采集器系统和数据传输系统相连； 所述数据采集器系统包括观测塔架、电控升降导轨、成像光谱仪和太阳辐照度计，其中，所述观测塔架安装固定在所述平台之上，其上安装有带有云台的电控升降导轨；所述成像光谱仪安装固定在所述观测塔架的云台底座上；所述太阳辐照度计安装在所述仪器房顶无遮挡处； 所述数据传输系统与数据采集器系统连接。
2.根据权利要求1所述的浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统，其特征在于，所述供电系统的蓄电池、数据采集器系统的数据收集控制器以及数据传输系统设置于仪器房内。
3.根据权利要求1所述的浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统，其中，所述观测塔架安装固定在所述平台的一侧； 所述电控升降导轨安装在观测塔架上，其包括导轨、滑车、驱动装置及控制装置， 所述太阳辐照度计安装在平台仪器房顶，其包括余弦修整器、辐射光谱采集单元、二维云台及通信控制装置。
4.根据权利要求1所述的浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统，其特征在于，所述供电系统包括太阳能电池板、光伏控制器、蓄电池组和逆变器，其中，太阳能电池板安装于所述仪器房顶部，蓄电池组安装在所述仪器房内部，太阳能电池板与蓄电池组相连。
5.根据权利要求1所述的浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统，其特征在于，所述数据传输系统包括接线盒和通信模块，所述水面成像光谱采集的湖泊水面光谱信息通过接线盒传送至通信模块，并由通信模块将其发送至数据中心。
6.根据权利要求1所述的浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统，其特征在于，所述数据中心包括服务器和显示器。
7.根据权利要求1所述的浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统，其特征在于，所述数据传输系统通过无线网络连接数据中心。
8.根据权利要求1-7任一项所述的浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统，其还包括保护设施，所述保护设施包括避雷针和/或航标灯，所述避雷针安装在高于水面的观测塔顶端，航标灯分别安装在平台仪器房的西南角、东北角和东南角上，其中所述仪器房的四角分别对应东南、东北、西北和西南方向。
【文档编号】G01J3/28GK203572577SQ201320744240
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】张玉超, 马荣华, 王新雨 申请人:中国科学院南京地理与湖泊研究所, 北京欧普特科技有限公司